CN109474475B - windows XPE下双冗余网卡的切换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于网络技术领域，具体涉及一种windows XPE下双冗余网卡的切换系统。首先，初始化winio驱动层环境和遍历PCI设备查找目标网卡，通过PCI信息计算网卡的内存基地址空间；其次，进行网卡的IP初始化设置并要求两网卡使用同一IP不同mac地址；在此基础上，通过内存基地址读取链路寄存器状态。采用基于轮询的方法，对两网卡进行状态查询，从而实现双冗余网卡的切换过程。

Description

windows XPE下双冗余网卡的切换系统
技术领域
本发明属于网络技术领域，具体涉及一种windows XPE下双冗余网卡的切换系统。
背景技术
Windows XP Embedded操作系统是嵌入式操作系统，拥有windows XP专业版所有的功能和属性，又拥有根据应用需要能任意裁剪的特点且具备自我保护功能。目前通常应用的系统平台采用裁剪版的WinXPE，为保证系统最小运行开销，只在最小可裁剪的系统上添加网络组件功能。
随着网络技术的成熟，为了提供系统的可靠性和稳定性，需要采取一种策略保证当某个节点一块网卡故障或者网线故障的情况下，网络依然能正常通信。目前成熟的双冗余网卡切换技术有通过中间协议完成双网切换，该方法基于中间层的适配模块进行实施从而屏蔽底层硬件差异，包括驱动注册单元、虚拟小端口驱动单元和协议层驱动单元。但是该解决方案要求适配的过程在切换过程中占据了大量的时间，不利于网络故障的恢复，同时内核级的操作容易引起系统崩溃，存在安全隐患，不适用于XPE的系统特点；还有基于网络通信的方法，从软件上对数据包进行过滤从而实现切换。这种在应用层进行分析解决，切换时间过长不利于网络通信质量的保证。
因此，为了解决WindowXPE下的双冗余网络切换问题，缩短切换时间，简化切换算法复杂度，迫切需要提出一种双冗余网卡切换系统。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：windowsXPE平台在最小可裁剪系统只有网络组件的情况下，如何实现双冗余网卡的快速切换问题。
(二)技术方案
为解决现有技术问题，本发明提供一种windows XPE下双冗余网卡的切换系统，所述系统所应用的环境中设置有双冗余网卡，所述系统包括：网卡内存空间基地址获取模块、初始化模块、网卡切换模块；
所述网卡内存空间基地址获取模块用于查找网卡，获取双冗余网卡的内存空间基地址；
所述初始化模块用于对查找到的双冗余网卡进行IP初始化；
所述网卡切换模块用于基于轮询方式进行双冗余网卡切换。
其中，所述网卡内存空间基地址获取模块包括：配置单元、目标网卡定位单元、地址获取单元；
所述配置单元用于初始化winio驱动，为I/O端口操作配置环境，允许从I/O端口直接读取内容；
所述目标网卡定位单元用于在系统所接设备中，遍历查询PCI设备资源以准确定位网卡；根据设备序号、功能序号、总线序号信息计算I/O端口的读写地址，从I/O端口处获取数据并计算该数据与待查设备的供应商号、设备厂商号是否匹配，从而定位目标网卡；
所述地址获取单元用于根据目标网卡的设备序号、功能序号、总线序号、PCI配置地址总线号计算出I/O端口的读写地址，从I/O端口获取目标网卡的内存空间基地址。
其中，所述初始化模块通过驱动层函数遍历获取所有设备的适配信息并与目标网卡预定义的适配描述信息进行一一对比，并根据两个网卡的描述信息名称前缀将两网卡适配信息索引号区分保存，通过适配信息索引号进行当前网卡的IP信息的设置。
其中，所述初始化模块指定两个网卡初始化状态都不能设置固定IP，即在主机的本地连接中IP地址设置中选择“自动获取”；完成网络的初始IP设置，且只对当前在线使用的网卡进行设置，备用网卡采取无IP状态；初始化网卡IP时，在设置前先删除之前配置的IP信息，再根据配置文件动态设置。
其中，所述初始化模块包括：读取单元、适配信息获取单元、对比单元、网卡区分单元、删除单元、IP信息添加单元；
所述读取单元用于读取配置文件，获取预设的IP信息，如果该IP信息无效则启用宏定义的IP信息；
所述适配信息获取单元用于循环获取主机设备适配信息；
所述对比单元用于将适配信息的描述信息与目标网卡的预定义描述信息进行对比，如果匹配，则保存当前适配信息；
所述网卡区分单元用于根据网卡的预定义描述信息区分工作网卡和备用网卡，并且保存每块网卡的适配索引号；
所述删除单元用于在网卡区分单元区分工作网卡和备用网卡后，删除两块网卡的IP信息；
所述IP信息添加单元用于在删除单元删除两块网卡的IP信息之后，根据适配信息索引号为当前在线网卡添加预设IP信息。
其中，所述网卡切换模块根据网卡的内存基地址计算出链路寄存器的地址，通过I/O端口的读写操作获取当前在线网卡在网络中的链路状态；通过轮询的方式查询网卡链路状态，当检测异常时则进行两网卡的切换；通过删除故障网卡IP信息然后给正常网卡添加IP信息完成切换过程。
其中，所述网卡切换模块包括：地址计算单元、判断及状态设置单元、切换单元；
所述地址计算单元用于根据网卡的内存基地址计算出链路寄存器的地址；
所述判断及状态设置单元用于判断当前在线网卡的链路状态，如果正常则记录当前切换状态为正常，并不进行切换过程；如果当前在线网卡不正常，则判断备用网卡的链路状态是否正常，如果备用网卡故障就继续查询该备用网卡状态，允许一定次数的查询，若超过规定值，则将切换状态设为故障；
所述切换单元用于在备用网卡正常的情况下进行切换，将当前在线网卡的IP删除掉并给备用网卡添加IP信息，同时将备用网卡设为当前在线网卡，完成切换过程。
(三)有益效果
本发明属于双冗余网络切换技术，在系统为WindowsXPE的应用场景下，针对系统平台特点，根据网络自身传输特点，并结合I/O底层操作库，动态设置网卡IP信息，设计实现了一种基于winio驱动层的双冗余网卡切换方案。该方案通过驱动层完成网卡的适配，利用软件动态设置网卡IP信息缩短切换时间并完成双网卡之间的切换。
附图说明
图1为双冗余网卡切换主流程图。
图2为本发明技术方案原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决现有技术问题，本发明提供一种windows XPE下双冗余网卡的切换系统，所述系统所应用的环境中设置有双冗余网卡，所述系统包括：网卡内存空间基地址获取模块、初始化模块、网卡切换模块；
所述网卡内存空间基地址获取模块用于查找网卡，获取双冗余网卡的内存空间基地址；
所述初始化模块用于对查找到的双冗余网卡进行IP初始化；
所述网卡切换模块用于基于轮询方式进行双冗余网卡切换。
其中，所述网卡内存空间基地址获取模块包括：配置单元、目标网卡定位单元、地址获取单元；
所述配置单元用于初始化winio驱动，为I/O端口操作配置环境，允许从I/O端口直接读取内容；
所述目标网卡定位单元用于在系统所接设备中，遍历查询PCI设备资源以准确定位网卡；根据设备序号、功能序号、总线序号信息计算I/O端口的读写地址，从I/O端口处获取数据并计算该数据与待查设备的供应商号、设备厂商号是否匹配，从而定位目标网卡；
所述地址获取单元用于根据目标网卡的设备序号、功能序号、总线序号、PCI配置地址总线号计算出I/O端口的读写地址，从I/O端口获取目标网卡的内存空间基地址。
其中，所述初始化模块通过驱动层函数遍历获取所有设备的适配信息并与目标网卡预定义的适配描述信息进行一一对比，并根据两个网卡的描述信息名称前缀将两网卡适配信息索引号区分保存，通过适配信息索引号进行当前网卡的IP信息的设置。
其中，所述初始化模块指定两个网卡初始化状态都不能设置固定IP，即在主机的本地连接中IP地址设置中选择“自动获取”；完成网络的初始IP设置，且只对当前在线使用的网卡进行设置，备用网卡采取无IP状态；初始化网卡IP时，在设置前先删除之前配置的IP信息，再根据配置文件动态设置。
其中，所述初始化模块包括：读取单元、适配信息获取单元、对比单元、网卡区分单元、删除单元、IP信息添加单元；
所述读取单元用于读取配置文件，获取预设的IP信息，如果该IP信息无效则启用宏定义的IP信息；
所述适配信息获取单元用于循环获取主机设备适配信息；
所述对比单元用于将适配信息的描述信息与目标网卡的预定义描述信息进行对比，如果匹配，则保存当前适配信息；
所述网卡区分单元用于根据网卡的预定义描述信息区分工作网卡和备用网卡，并且保存每块网卡的适配索引号；
所述删除单元用于在网卡区分单元区分工作网卡和备用网卡后，删除两块网卡的IP信息；
所述IP信息添加单元用于在删除单元删除两块网卡的IP信息之后，根据适配信息索引号为当前在线网卡添加预设IP信息。
其中，所述网卡切换模块根据网卡的内存基地址计算出链路寄存器的地址，通过I/O端口的读写操作获取当前在线网卡在网络中的链路状态；通过轮询的方式查询网卡链路状态，当检测异常时则进行两网卡的切换；通过删除故障网卡IP信息然后给正常网卡添加IP信息完成切换过程。
其中，所述网卡切换模块包括：地址计算单元、判断及状态设置单元、切换单元；
所述地址计算单元用于根据网卡的内存基地址计算出链路寄存器的地址；
所述判断及状态设置单元用于判断当前在线网卡的链路状态，如果正常则记录当前切换状态为正常，并不进行切换过程；如果当前在线网卡不正常，则判断备用网卡的链路状态是否正常，如果备用网卡故障就继续查询该备用网卡状态，允许一定次数的查询，若超过规定值，则将切换状态设为故障；
所述切换单元用于在备用网卡正常的情况下进行切换，将当前在线网卡的IP删除掉并给备用网卡添加IP信息，同时将备用网卡设为当前在线网卡，完成切换过程。
此外，本发明还提供一种windows XPE下双冗余网卡的切换方法，如图2所示，所述方法所应用的环境中设置有双冗余网卡，所述方法包括：
步骤1：查找网卡，获取双冗余网卡的内存空间基地址；
步骤2：对查找到的双冗余网卡进行IP初始化；
步骤3：基于轮询方式进行双冗余网卡切换。
其中，所述步骤1包括：
步骤11：初始化winio驱动，为I/O端口操作配置环境，允许从I/O端口直接读取内容；
步骤12：在系统所接设备中，遍历查询PCI设备资源以准确定位网卡；根据设备序号、功能序号、总线序号信息计算I/O端口的读写地址，从I/O端口处获取数据并计算该数据与待查设备的供应商号、设备厂商号是否匹配，从而定位目标网卡；
步骤13：根据目标网卡的设备序号、功能序号、总线序号、PCI配置地址总线号计算出I/O端口的读写地址，从I/O端口获取目标网卡的内存空间基地址。
其中，所述步骤2中，
通过驱动层函数遍历获取所有设备的适配信息并与目标网卡预定义的适配描述信息进行一一对比，并根据两个网卡的描述信息名称前缀将两网卡适配信息索引号区分保存，通过适配信息索引号进行当前网卡的IP信息的设置。
其中，所述步骤2中，
本方案设置两个网卡同时在线状态且用同一个IP不同mac地址。使用不同的MAC和不同IP会引起系统的协议层ARP绑定关系表的变化，重新映射ARP表中物理地址和IP地址的关系会增加网络冗余切换的时间，无法保证网络通信的实时性。指定两个网卡初始化状态都不能设置固定IP，即在主机的本地连接中IP地址设置中选择“自动获取”；完成网络的初始IP设置，且只对当前在线使用的网卡进行设置，备用网卡采取无IP状态；初始化网卡IP时，在设置前先删除之前配置的IP信息，再根据配置文件动态设置。
其中，所述步骤2包括：
步骤21：读取配置文件，获取预设的IP信息，如果该IP信息无效则启用本程序宏定义的IP信息；
步骤22：循环获取主机设备适配信息；
步骤23：将适配信息的描述信息与目标网卡的预定义描述信息进行对比，如果匹配，则保存当前适配信息；
如果找到目标网卡的数量等于预定义的数量，则退出循环；
步骤24：根据网卡的预定义描述信息区分工作网卡和备用网卡，并且保存每块网卡的适配索引号；
步骤25：删除两块网卡的IP信息；
步骤26：根据适配信息索引号为当前在线网卡添加预设IP信息。
其中，所述步骤3中，根据网卡的内存基地址计算出链路寄存器的地址，通过I/O端口的读写操作获取当前在线网卡在网络中的链路状态；通过轮询的方式查询网卡链路状态，当检测异常时则进行两网卡的切换；通过删除故障网卡IP信息然后给正常网卡添加IP信息完成切换过程。
其中，所述步骤3包括：
步骤31：根据网卡的内存基地址计算出链路寄存器的地址；
步骤32：判断当前在线网卡的链路状态，如果正常则记录当前切换状态为正常，并不进行切换过程；
步骤33：如果当前在线网卡不正常，则判断备用网卡的链路状态是否正常，如果备用网卡故障就继续查询该备用网卡状态，允许一定次数的查询，若超过规定值，则将切换状态设为故障；
步骤34：如果备用网卡正常就进行切换，将当前在线网卡的IP删除掉并给备用网卡添加IP信息，同时将备用网卡设为当前在线网卡，完成切换过程。
实施例1
本实施例提供一种windows XPE下双冗余网卡切换的方法，其包括：
(1)初始化winio驱动层环境和查找pci设备，根据本步骤可以初始化winio使用环境，进行i/o读写配置环境，通过网卡的设备号等信息查找当前pci设备并计算出各网卡的内存基地址空间；
(2)初始化网卡，根据本步骤可以查找出当前的设备的适配信息并根据适配描述匹配到目标网卡，根据适配器索引号进行IP信息的设置；
(3)基于内存基地址获取链路寄存器读写地址，获取链路状态，通过轮询的方式读取网卡状态并进行切换，步骤(1)和步骤(2)实现了目标网卡的定位和初始化，步骤(3)实现基于链路寄存器状态查询的双网卡切换过程。
其中，所述步骤(1)和步骤(2)实现了通过pci设备信息遍历查找目标网卡和获取网卡内存基地址，配置网络环境为同一IP不同mac的两网卡同时在线状态，要求网卡的IP设置只能由切换软件设置，且主机端本地连接各网卡的IP设置为“自动获取”模式。
其中，所述步骤(3)实现了将内存基地址进行换算获取链路寄存器地址，并且通过I/O端口读写操作获取寄存器存的链路状态值；以轮询的方式不断查询两网卡的链路状态，通过删除故障网卡IP并为待切换网卡添加IP的方式进行双冗余网卡的切换。
实施例2
为了解决windowsXPE系统下双冗余网络的切换问题，如图1所示，本实施例采用基于winio的驱动层进行i/o读写操作，初始化化winio环境后则遍历查找当前可列的pci设备信息。经过上述步骤，可通过设备号、功能号信息匹配到所插的两块目标网卡并计算出各自的i/o地址空间，在此基础上对网络进行初始化操作，将配置文件中预定义的IP信息加载到网卡，最后以轮询的方式访问寄存器来获取网卡的链路状态，实时根据状态进行网卡切换过程。下面对本发明的内容作进一步描述。
1、查找网卡
使用winio进行I/O端的读写操作，先进行驱动层环境的初始化操作。同时，从可列的pci设备中根据设备号、功能号、总线号信息进行遍历查找目标网卡。根据网卡的寄存器地址进行读写访问，获取网卡的内存基地址空间。具体步骤如下：
(1)初始化winIo驱动层环境；
(2)进行pci设备资源遍历查找目标网卡；
(3)根据目标网卡设备号、功能号、总线号、地址线号计算内存基地址；
下面具体介绍pci设备资源查找流程：
step1：根据设备号、功能号、总线号的范围进行三层循环迭代；
step2：根据设备号、功能号、总线号计算进行I/O端口读写的地址，在i/0端口读取数据并判断是否满足数据的高16位是供应商号deviceId，低16位是设备厂商号vendorId，如满足条件，则表示找到目标网卡设备，保存其信息。
Step 3：pci内存基地址空间的计算：根据设备号、功能号、总线号计算进行I/O端口读写的地址，在I/O端口读取内存空间基地址。
2、初始化网卡
为使两个网卡实现快速切换，我们设定两个网卡使用同一个IP不同MAC地址。由于使用不同的MAC和不同IP会引起系统的协议层ARP绑定关系表的变化，重新映ARP表中物理地址和IP地址的关系会增加网络冗余切换的时间，无法保证网络通信的实时性。所以我们指定两个网卡初始化状态都不能设置固定IP，由切换软件完成网络的初始IP设置，且只对当前在线使用的网卡进行设置。
初始化网卡步骤如下：
Step1：读取配置文件，获取预设的IP信息，如果该IP信息无效则启用本程序宏定义的IP信息。
Step2：循环获取主机设备适配信息；
Step3：将适配信息的描述信息与目标网卡的预定义描述信息进行对比，如果匹配，则保存当前适配信息；
Step4：如果找到目标网卡的数量等于预定义的数量，则退出循环；
Step5：根据网卡的描述信息区分工作网卡和备用网卡，并且保存每块网卡的适配索引号；
Step6：删除两块网卡的IP信息；
Step7：根据适配信息索引号为当前在线网卡添加预设IP信息；
3、基于轮询方式的双冗余网卡切换
通过轮询的方式查询获取网卡链路状态，而网卡链路状态的获取基于链路寄存器读写。具体步骤如下：
Step1：使用I/O端口操作读取偏移基地址的内存地址内容；
Step2：根据寄存器相应bit位数据判断链路状态；
如果检测到当前网卡为断开状态则进行切换操作，否则继续进行查询。在切换时，如果备用网卡处于连接状态：需删除当前故障网卡的IP信息，并把此IP添加到需要切换过来的备用网卡中；如果备用网卡也是故障状态则需要进行故障记录，表示目前无可用的网卡不必要进行切换操作。
利用上述技术方案，采用上述操作步骤，本发明可以实现windows XPE系统下双冗余网卡的切换，该方法已经经过了算法验证，并进行了仿真实验检验。结果标明，该方案可以缩短双网切换的时间，保证网络的正常通信。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种windows XPE下双冗余网卡的切换系统，其特征在于，所述系统所应用的环境中设置有双冗余网卡，所述系统包括：网卡内存空间基地址获取模块、初始化模块、网卡切换模块；
所述网卡内存空间基地址获取模块用于查找网卡，获取双冗余网卡的内存空间基地址；
所述初始化模块用于对查找到的双冗余网卡进行IP初始化；
所述初始化模块通过驱动层函数遍历获取所有设备的适配信息并与目标网卡预定义的适配描述信息进行一一对比，并根据两个网卡的描述信息名称前缀将两网卡适配信息索引号区分保存，通过适配信息索引号进行当前网卡的IP信息的设置；所述初始化模块指定两个网卡初始化状态都不能设置固定IP，即在主机的本地连接中IP地址设置中选择“自动获取”；完成网络的初始IP设置，且只对当前在线使用的网卡进行设置，备用网卡采取无IP状态；初始化网卡IP时，在设置前先删除之前配置的IP信息，再根据配置文件动态设置；所述网卡切换模块用于基于轮询方式进行双冗余网卡切换。
2.如权利要求1所述的windows XPE下双冗余网卡的切换系统，其特征在于，所述网卡内存空间基地址获取模块包括：配置单元、目标网卡定位单元、地址获取单元；
所述配置单元用于初始化winio驱动，为I/O端口操作配置环境，允许从I/O端口直接读取内容；
所述目标网卡定位单元用于在系统所接设备中，遍历查询PCI设备资源以准确定位网卡；根据设备序号、功能序号、总线序号信息计算I/O端口的读写地址，从I/O端口处获取数据并计算该数据与待查设备的供应商号、设备厂商号是否匹配，从而定位目标网卡；
所述地址获取单元用于根据目标网卡的设备序号、功能序号、总线序号、PCI配置地址总线号计算出I/O端口的读写地址，从I/O端口获取目标网卡的内存空间基地址。
3.如权利要求2所述的windows XPE下双冗余网卡的切换系统，其特征在于，所述初始化模块包括：读取单元、适配信息获取单元、对比单元、网卡区分单元、删除单元、IP信息添加单元；
所述读取单元用于读取配置文件，获取预设的IP信息，如果该IP信息无效则启用宏定义的IP信息；
所述适配信息获取单元用于循环获取主机设备适配信息；
所述对比单元用于将适配信息的描述信息与目标网卡的预定义描述信息进行对比，如果匹配，则保存当前适配信息；
所述网卡区分单元用于根据网卡的预定义描述信息区分工作网卡和备用网卡，并且保存每块网卡的适配信息索引号；
所述删除单元用于在网卡区分单元区分工作网卡和备用网卡后，删除两块网卡的IP信息；
所述IP信息添加单元用于在删除单元删除两块网卡的IP信息之后，根据适配信息索引号为当前在线网卡添加预设IP信息。
4.如权利要求3所述的windows XPE下双冗余网卡的切换系统，其特征在于，所述网卡切换模块根据网卡的内存空间基地址计算出链路寄存器的地址，通过I/O端口的读写操作获取当前在线网卡在网络中的链路状态；通过轮询的方式查询网卡链路状态，当检测异常时则进行两网卡的切换；通过删除故障网卡IP信息然后给正常网卡添加IP信息完成切换过程。
5.如权利要求3所述的windows XPE下双冗余网卡的切换系统，其特征在于，所述网卡切换模块包括：地址计算单元、判断及状态设置单元、切换单元；
所述地址计算单元用于根据网卡的内存空间基地址计算出链路寄存器的地址；
所述判断及状态设置单元用于判断当前在线网卡的链路状态，如果正常则记录当前切换状态为正常，并不进行切换过程；如果当前在线网卡不正常，则判断备用网卡的链路状态是否正常，如果备用网卡故障就继续查询该备用网卡状态，允许一定次数的查询，若超过规定值，则将切换状态设为故障；
所述切换单元用于在备用网卡正常的情况下进行切换，将当前在线网卡的IP删除掉并给备用网卡添加IP信息，同时将备用网卡设为当前在线网卡，完成切换过程。
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